本发明属于先进制造技术领域，涉及一种低温电流体喷射打印喷头装置。
背景技术：
电流体喷射打印具有高分辨率制造能力而备受研究者关注，该技术可有效克服喷墨打印、挤出式打印中喷嘴尺寸对分辨率的限制，与多种墨水材料兼容，例如硅胶粘接剂、光刻胶、导电银浆、热固化胶、uv胶和生物材料等，可广泛应用于半导体芯片封装、柔性微电子器件、光伏电池银栅极、摄像头模组粘接和组织工程支架的加工制造中。
目前，电流体喷射打印高粘度材料时，普遍对墨水材料提前进行加热处理，或者使用装有加热片的喷头装置进行打印。温度升高，分子动能增大，能够促进分子间流动，从而使液体动力增加，动力粘度减少，提高墨水的流动性，避免打印过程中高粘度材料的堵塞，保证打印的流畅性。然而，墨水材料喷出时，若其粘度较低，打印后的墨水极易摊开，将会导致其厚度减小，尺寸增大，不利于得到大高宽比的阵列结构，从而无法满足精密封装和微器件领域中高分辨率和大高宽比微结构的打印制造需求。
此外，电流体喷射打印的喷头普遍采用金属喷针。当在绝缘衬底上电喷打印时，一方面，带有高压电的金属喷针、具有相同极性的带电液滴以及绝缘衬底之间的相互作用使原始电场扭曲，导致射流发散和液滴偏离预期运动轨迹，并且液滴在接近衬底的区域很容易由于库伦斥力而破碎产生卫星液滴，引起断流现象，破坏电流体喷射打印的稳定；另一方面，在强电场作用下，绝缘衬底能长久保持电极化状态，具有较慢的电荷衰减率，已滴落的液滴不能借助绝缘衬底释放液滴所带的电荷，后续滴落的液滴与已滴落的液滴带有同种极性的电荷而产生库伦排斥力从而导致液滴变形。
技术实现要素：
本发明为了解决现有技术的问题，发明了一种低温电流体喷射打印喷头装置。在喷头装置内部，采用喷针与储液管、卡帽直接连接方式，减少了管路堵塞；喷针采用绝缘材料并进行外侧疏水处理，可以在打印过程中削弱液体弯月面中的回流，改善锥射流稳定性，解决金属喷针电喷打印时容易发生断流、散点、击穿、爬胶等难题；装置内设有精密固定凹槽，可将储液管与喷针精确定位。在喷头装置外侧，涡流制冷器固定于喷头体侧壁，射流导向管对准喷针末端，衬底导向管与打印基板内沟道相连，空气经涡流管压缩冷却后，一部分冷气通过射流导向管导向喷针末端射流处，实现喷针和射流的冷却，另一部分冷气经衬底导向管充满带有沟道的打印基板，实现衬底的冷却，最终实现电流体喷印全过程的冷却，以快速增大打印后墨水粘度，并防止打印液滴在衬底摊开。本发明提高了电流体喷射打印过程墨水流量稳定性，避免了打印液滴摊开现象，解决了打印过程的爬胶、击穿、散点等难题，实现了高粘度墨水大高宽比、高精度的打印制造。
为了达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种低温电流体喷射打印喷头装置，包括喷头模块和喷印制冷模块；
所述的喷头模块包括多波形高压电源1、z位移轴2、卡帽3、气源控制器5、储液管12、出线口13、固定块14、遮光块15、喷头体16、灌封口17、高压电缆18、金属底座19、锥形帽20、绝缘喷针21。所述的喷针结构由金属底座19与绝缘喷针21组成，作用是改善射流稳定性，避免断流、散点和击穿等现象的发生，绝缘喷针21末端使用磨针仪精磨至锥形，端口磨平，作用是规范泰勒锥的形状，绝缘喷针21外壁经疏水化处理，可有效防止爬胶现象；储液管12的头端经卡帽3夹紧并密封，通过导气管与气源控制器5相连，保证储液管12内的墨水材料稳定进给；储液管12的尾端与金属底座19精密相连，储液管12套入固定块14内，调节固定块14上的内六角螺钉可将储液管12夹紧；喷头体16固定在z位移轴2上，用于调节打印高度以及z轴正负方向的运动；金属底座19和绝缘喷针21固定在锥形帽20内的凹槽中，保证定位精确；高压电缆18焊在金属底座19外侧，穿过出线口13与多波形高压电源1相连接，在喷针与底板之间形成稳定电场；锥形帽20顶端加工有外螺纹，喷头体16底端加工有内螺纹，可相互旋合；遮光块15将储液管12剩余见光部分挡住，防止打印过程中uv胶固化；固定块14和遮光块15的侧面均设有两个沉头孔，喷头体16的侧面设有两个螺纹孔，使用螺钉可将三者固定；灌封口17设于喷头体16内壁，用于喷头体16内密封胶的填充，以消除由于高压喷头意外漏电而造成的安全隐患。
所述的喷印制冷模块包括涡流管4、无油气泵6、衬底导向管7、出气口8、射流导向管9、x-y运动平台10、打印基板11。打印基板11固定于x-y运动平台10上方，用于调节衬底的移动轨迹与速度；所述的涡流管4固定于喷头体16侧壁，所述的衬底导向管7和射流导向管9设于涡流管4的冷端；无油气泵6将空气压缩过滤后形成高速气流，通入涡流管4工作后，分离出冷、热两股气流，其中热气流由涡流管4的顶端排出，冷气流在涡流管4的冷端引出为两部分，一部分通过射流导向管9精确导向喷针末端射流处，实现喷针和射流的冷却，另一部分经衬底导向管7通入带有沟道的打印基板11内部，由沟道另一端的出气口8排出，使冷气充满整个打印基板11，实现衬底的冷却，最终实现电流体喷印全过程的冷却，以快速增大打印后墨水粘度，并防止打印液滴在衬底摊开。
进一步的，所述的储液管12中存放的墨水材料类型为uv胶、热固化胶、硅胶粘接剂、导电银浆、光刻胶等，粘度范围为200-60000cps。
进一步的，所述的多波形高压电源1的输出波形为脉冲电压，电压大小输出范围为0-±4000v，频率输出范围为1-200hz，占空比输出范围为10％-90％，所述的气源控制器5的气压大小输出范围为5-200kpa，
进一步的，所述的绝缘喷针21的末端与衬底的间距范围为0.05-0.3mm。
进一步的，所述的绝缘喷针21的内径范围为25-200μm，长度为5mm，所述的绝缘喷针21末端使用磨针仪磨平，外侧精磨至锥形，锥形区域长度为0.5mm，锥角为60°。
进一步的，所述的涡流管4的流量为223l/min，制冷量为160kcal/h，制冷温度范围为0--30℃。
进一步的，所述的高粘度墨水微结构的特征尺寸为直径5μm-500μm，高宽比最高可达0.9。
实施例的具体实施步骤如下：
1)电喷印射流形成
选用uv胶、热固化胶、硅胶粘接剂、导电银浆、光刻胶等作为“墨水材料”，存放于储液管12内，墨水的粘度范围为200-60000cps，选择内径为25-200μm的喷针，根据墨水粘度和针头内径的不同，气源控制器5输出5-200kpa干燥空气，推动储液管12内的液体墨水稳定进给到绝缘喷针21，保证流量的均匀稳定；选择合适的打印高度，根据喷针内径、墨水粘度和衬底材料的不同，调节绝缘喷针21和打印基板11上衬底之间的距离为0.05-0.3mm；选择适当波形的电压，多波形高压电源1通过高压电缆18向金属底座19施加高低电平为500-4000v、频率为1-200hz、占空比为10％-90％的电压，使得喷针与打印基板11之间形成稳定的电场；不同的墨水材料在电场力、重力、墨水表面张力等复合力的作用下在喷针末端形成泰勒锥，产生稳定的精细射流，在衬底上喷印形成线宽或点径为5μm-500μm的微结构。
2)原位快速低温成型
电流体喷射打印开始前，依次开启无油气泵6和涡流管4，使得干燥空气进入涡流管4，涡流管4工作后产生的热气流由顶端排出，冷气流引出为两部分，一部分冷气通过射流导向管9精确导向喷针末端射流处，实现喷针和射流的冷却，另一部分冷气经衬底导向管7通入带有“沟道”的打印基板11内部，由沟道另一端的出气口8排出，使冷气充满整个打印基板11，实现衬底的冷却，保证电流体喷印全过程的环境温度为0℃至-20℃，以快速增大打印后墨水粘度，并防止打印液滴在衬底摊开，墨水的高宽比可达0.9，从而保证打印后微结构的厚度与分辨率。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出一种低温电流体喷射打印喷头装置，实现了不同粘度墨水材料的低温电喷打印制造。本发明简化了电喷打印连接方式，避免了复杂的连接件、连接管形成的流体阻力所带来的流体堵塞，实现了流量的稳定性。
(2)本发明设计一种新型喷针结构，削弱了打印过程中液体弯月面中的回流，改善了锥射流稳定性，解决了使用金属喷针打印时易发生的断流、散点、击穿和爬胶等难题。
(3)本发明利用涡流制冷的方法，实现了电喷印全过程快速、精确且高效的冷却，避免了打印液滴摊开现象，实现了高粘度墨水大高宽比、高精度的打印制造。
附图说明
图1为低温电流体喷射打印喷头装置三维示意图。
图2为喷头模块内部装配示意图。
图中：1多波形高压电源；2z位移轴；3卡帽；4涡流管；5气源控制器；6无油气泵；7衬底导向管；8出气口；9射流导向管；10x-y运动平台；11打印基板；12储液管；13出线口；14固定块；15遮光块；16喷头体；17灌封口；18高压电缆；19金属底座；20锥形帽；21绝缘喷针。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细对本发明进行详细说明。
实施例的一种低温电流体喷射打印喷头装置主要由喷头模块和喷印制冷模块两部分组成。具体如下：
所述的喷头模块如图1和图2所示，包括多波形高压电源1、z位移轴2、卡帽3、气源控制器5、储液管12、出线口13、固定块14、遮光块15、喷头体16、灌封口17、高压电缆18、金属底座19、锥形帽20、绝缘喷针21；所述的喷针结构由金属底座19与绝缘喷针21组成，所述的金属底座19的材料为铝合金，长约4mm，所述的绝缘喷针21的外径为360μm，内径为50μm，长度为5mm，作用是改善射流稳定性，避免断流、散点和击穿等现象的发生；所述的绝缘喷针21末端使用磨针仪精磨至锥形，端口磨平，锥形区域长约0.5mm，锥角为60°，作用是规范泰勒锥的形状，绝缘喷针21外壁经疏水化处理，可有效防止爬胶现象；所述的储液管12的容量为1ml，外表为琥珀色，用于屏蔽uv光，其加工材料采用聚丙烯(pp)，具有抗多种有机溶剂和酸碱腐蚀的性质，适合用来盛装打印的墨水材料；所述的储液管12头端经卡帽3夹紧并密封，通过导气管与气源控制器5相连，保证储液管12内的墨水材料稳定进给；所述的储液管12装有墨水材料，粘度为30000cps；所述的储液管12的尾端与金属底座19精密相连，储液管12套入固定块14内，调节固定块14上的内六角螺钉可将储液管12夹紧；所述的喷头体16的加工材料为铝合金，表面进行阳极氧化处理，可增强其表面硬度与耐磨损性，延长使用寿命；所述的喷头体16固定在z位移轴2上，用于调节打印高度以及z轴正负方向的运动；所述的金属底座19和绝缘喷针21固定在锥形帽20内的凹槽中，保证定位精确；所述的多波形高压电源1输出高电平为1600v、低电平为1200v、占空比为80％、频率为60hz的脉冲电压；所述的高压电缆18焊在金属底座19外侧，穿过出线口13与多波形高压电源1相连接，在喷针与底板之间形成稳定的电场；所述的锥形帽20的加工材料采用聚四氟乙烯(ptfe)，具有出色的耐腐蚀性和良好的耐热性，在炎热和潮湿的环境中具有良好的电气绝缘能力，可以消除由于高压喷头意外漏电而造成的安全隐患，锥形帽20顶端加工有外螺纹，喷头体16底端加工有内螺纹，可相互旋合；所述的遮光块14将储液管12剩余见光部分挡住，防止打印过程中uv胶固化；所述的固定块14与遮光块15的加工材料采用铝合金，该材料易于机械加工，此外还具有优良的力学性能、物理性能和耐腐蚀性能等优点，固定块14和遮光块15的侧面均设有两个沉头孔，喷头体16的侧面设有两个螺纹孔，使用螺钉可将三者固定；所述的喷头体16内部所有零部件按序装配后，可将绝缘胶填满灌封口17，以增强静电屏蔽，防止电喷打印过程中发生漏电。
所述的喷印制冷模块如图1所示，包括涡流管4、无油气泵6、衬底导向管7、出气口8、射流导向管9、x-y运动平台10、打印基板11；所述的x-y运动平台的x和y方向上的最大行程为400mm，定位精度小于2μm，所述的打印基板11固定于x-y运动平台10上方，用于调节衬底移动轨迹与速度；所述的涡流管4的制冷温度为0--30℃，所述的无油气泵6的输出气压为0.8mpa，具有油水过滤功能；所述的涡流管4固定于喷头体16的侧壁，所述的无油气泵6将空气压缩过滤后，通入涡流管4内部进行制冷；所述的涡流管4工作后产生的热气流由其顶端排出，产生的冷气流在其冷端引出为两部分，一部分冷气通过射流导向管9精确导向喷针末端射流处，实现喷针和射流的冷却，另一部分冷气经衬底导向管7通入带有沟道的打印基板11内部，由沟道另一端的出气口8排出，沟道的内径为6mm，总长约800mm，使冷气充满整个打印基板11，实现衬底的冷却，最终实现电流体喷印全过程的冷却，以快速增大打印后墨水粘度，并防止打印液滴在衬底摊开，从而保证打印后微结构的厚度与分辨率。
实施例的具体实施步骤如下：
1)电喷印射流形成
选用硅胶粘接剂作为“墨水材料”，其粘度为30000cps，存放于储液管12内，选择内径为50μm的喷针，根据墨水粘度和针头内径的不同，气源控制器5输出20kpa干燥空气，推动储液管12内的液体墨水稳定进给到绝缘喷针21，保证流量的均匀稳定；选择合适的打印高度，根据喷针内径、墨水粘度和衬底材料的不同，调节绝缘喷针21和打印基板11上衬底之间的距离为0.15mm；选择适当波形的电压，多波形高压电源1通过高压电缆18向金属底座19施加高电平为1600v、低电平为1200v、占空比为80％、频率为60hz的脉冲电压，使得喷针与打印基板11之间形成稳定的电场；不同的墨水材料在电场力、重力、墨水表面张力等复合力的作用下在喷针末端形成泰勒锥，产生稳定的精细射流，在衬底上喷印形成线宽为10μm的微结构。
2)原位快速低温成型
电流体喷射打印开始前，依次开启无油气泵6和涡流管4，使得干燥空气进入涡流管4，涡流管4工作后产生的热气流由顶端排出，冷气流引出为两部分，一部分冷气通过射流导向管9精确导向喷针末端射流处，实现喷针和射流的冷却，另一部分冷气经衬底导向管7通入带有“沟道”的打印基板11内部，由沟道另一端的出气口8排出，使冷气充满整个打印基板11，实现衬底的冷却，墨水的高宽比可达0.9，从而保证打印后微结构的厚度与分辨率。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
1.一种低温电流体喷射打印喷头装置，其特征在于，所述的低温电流体喷射打印喷头装置包括喷头模块和喷印制冷模块；
所述的喷头模块包括多波形高压电源(1)、z位移轴(2)、卡帽(3)、气源控制器(5)、储液管(12)、出线口(13)、固定块(14)、遮光块(15)、喷头体(16)、灌封口(17)、高压电缆(18)、金属底座(19)、锥形帽(20)、绝缘喷针(21)；
所述的喷针结构由金属底座(19)与绝缘喷针(21)组成，绝缘喷针(21)末端使用磨针仪精磨至锥形，端口磨平，作用是规范泰勒锥的形状，绝缘喷针(21)外壁经疏水化处理，用于防止爬胶现象；所述的储液管(12)的头端经卡帽(3)夹紧并密封，通过导气管与气源控制器(5)相连，保证储液管(12)内的墨水材料稳定进给；所述的储液管(12)的尾端与金属底座(19)精密相连，储液管(12)套入固定块(14)内，调节固定块(14)上的内六角螺钉可将储液管(12)夹紧；所述的喷头体(16)固定在z位移轴(2)上，用于调节打印高度以及z轴正负方向的运动；所述的金属底座(19)和绝缘喷针(21)固定在锥形帽(20)内的凹槽中，保证定位精确；高压电缆(18)固定在金属底座(19)外侧，穿过出线口(13)与多波形高压电源(1)相连接，在喷针与底板之间形成稳定电场；所述的锥形帽(20)顶端加工有外螺纹，喷头体(16)底端加工有内螺纹，可相互旋合；所述的遮光块(15)将储液管(12)剩余见光部分挡住，防止打印过程中uv胶固化；固定块(14)、遮光块(15)、喷头体(16)侧面通过螺钉固定；灌封口(17)设于喷头体(16)内壁，用于喷头体(16)内密封胶的填充；
所述的喷印制冷模块包括涡流管(4)、无油气泵(6)、衬底导向管(7)、出气口(8)、射流导向管(9)、x-y运动平台(10)、打印基板(11)；所述的打印基板(11)固定于x-y运动平台(10)上方，用于调节衬底的移动轨迹与速度；所述的涡流管(4)固定于喷头体(16)侧壁，无油气泵(6)将空气压缩过滤后，通入涡流管(4)进行制冷。
2.根据权利要求1所述的一种低温电流体喷射打印喷头装置，其特征在于，所述的储液管(12)中存放的墨水材料类型为uv胶、热固化胶、硅胶粘接剂、导电银浆、光刻胶，粘度范围为200-60000cps。
3.根据权利要求1所述的一种低温电流体喷射打印喷头装置，其特征在于，所述的绝缘喷针(21)的末端与衬底的间距范围为0.05-0.3mm。
4.根据权利要求1所述的一种低温电流体喷射打印喷头装置，其特征在于，所述的绝缘喷针(21)的内径范围为25-200μm，长度为5mm。
5.根据权利要求1所述的一种低温电流体喷射打印喷头装置，其特征在于，所述的绝缘喷针(21)精磨至锥形的锥形区域长度为0.5mm，锥角为60°。
技术总结